爱因斯坦明明说宇宙最快速度是光速,为什么宇宙可以超光速膨胀?

科学美少男
一年前  
十九世纪末,开尔文宣布:“物理学的大厦已经基本落成,但仍有两朵乌云”。然而没有过多久,其中一朵乌云就差点拆了这栋以牛顿为首的大厦。物理学从来都不缺跟风的人,偏偏就是爱因斯坦这个打破传统框架的人缔造了物理学神话,更是成了宇宙学的开山鼻祖。
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爱因斯坦的《狭义相对论》基于光速不变,才有了任何有静质量不为零的物体,无法达到光速。而《广义相对论》的场方程是描绘了宇宙膨胀,才有了后来宇宙膨胀速度超过光速,所以一切的种种都是由于“光速不变原理”的这个假设,如果没有这个假设,也就没有后来一大堆反常识的结论,也就不存在那么多矛盾。
麦克斯韦
光速不变原理并非爱因斯坦胡编乱造,这还要从另外一个人说起。费曼曾经被问到谁是世界上最伟大的物理学家,然而他的回答并不是当时正处于风口浪尖的爱因斯坦,他说:
“从人类历史的长远角度来看(从现在开始有一万年前),毫无疑问,十九世纪最重大的事件将被认为是麦克斯韦对电动力学定律的发现。与同一十年的重要科学事件相比,美国内战将变得微不足道。”
他为什么会这么说?还要从伟大的麦克斯韦发表的方程组说起。
看起来像天书?我们并不需要完全搞懂上面的麦克斯韦方程组。只需要知道这是描绘电磁性质,并了解一些特殊符号的含义,得到我们想要的光速不变原理即可。
光速不变
从麦克斯韦方程组中可以求得一个解:真空中电磁波的速度c。光是电磁波,而这个解中实际上是两个物理测量值的函数:真空的介电常数(ε)和磁导率(μ),而这两个值是通过测量而得,是客观性质的值,是常数。这说明光速也是客观性质的常数,光速的大小取决于测量的精确性,光速是绝对速度。
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真空的介电常数和磁导率仅仅只是是描绘介质的性质,因为光可以在真空中传播,如果相信任何物质可以超越光速,那就是相信有什么物质比真空小,这种介质必须是非常奇特的材料,当时物理界大神们相信一定存在“以太”这种传播媒介,而寻找“以太”的失败结果,也就应了爱因斯坦那句“任何有静质量不为零的物体,无法达到光速”。
理论与实验的基础
麦克斯韦描述真空中电磁场的特性,也是描绘了光在真空中的特性。麦克斯韦方程组发表时间为1861年,1887年“以太”被迈克逊莫雷实验证实不存在,而狭义相对论的发表时间是1905年,所以爱因斯坦是站在了巨人的肩膀上才有了后来的《狭义相对论》和《广义相对论》,光速不变原理也不是爱因斯坦信手拈来的,我们也无需从晦涩难懂的《狭义相对论》中去理解光速为什么是极限速度。
寻找“以太”的反面教材
单单从理论上并无法说明问题,科学讲究证据。开尔文说的其中一朵乌云就是寻找“以太”的失败。迈克尔逊与莫雷是以太论的追随者,一生都在致力于寻找“以太”,然而它们的实验结果却是证明了“以太”不存在。迈克逊莫雷实验原理是利用干涉仪测量两垂直光的光速差值。
在他们的预想中,如果光真的是在“以太”介质中传播,那么如下图,当光射出时相对于以太运动,如果实验设备相对于以太静止(图左),那么两束光会同时到达,即不会出现干涉条纹。当实验设备相对以太运动(图右),也就说会存在相对速度,那么两束光会出现干涉条纹。
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实际情况是如果宇宙中充斥着“以太”,那么地球在宇宙中运动,也就是地球在相对以太运动。
假设地球相对于以太向右运动,那么静止在地球上的实验结果应该是,光源B应该会先到达,因为地球的移动增加了光源A的运动路程,最终形成干涉条纹。
然而真正的实验结果是下图,无论在何地何时,实验结果都出奇的一致,A和B永远都是同时达到,并不会出现干涉条纹。光速是绝对的,并不会出现相对运动,也就不存在相对的参考介质“以太”。
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迈克尔逊和莫雷的实验揭示了一个对于当时来说基本的,甚至是疯狂的宇宙事实:无论你是开着接近光速的飞船,还是静止在地球上的人,当飞船打开灯,灯光相对于飞船的速度是c,相对于人的速度也是c,于是就出现了相对时间流速不同的结果。
任何观察者,不管一个观察者相对于另一个观察者,或相对于光源或相对于光源的相对运动,测量的光速都是相同的。
宇宙膨胀速度
关于宇宙膨胀速度超过光速,其实从麦克斯韦方程的解就可以理解,光速是由空间中的真空性质所决定的,然而宇宙膨胀代表着空间膨胀的变化,是非正常空间,也就是非正常真空性质,所以不在受光速所制约。除了宇宙膨胀,黑洞内的空间也是极度扭曲的,也属于非正常空间,或许黑洞内部也可以超越光速,就像《星际穿越》中男主看到了过去了时空,并操纵了过去的事物。
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